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1、
第四章 控制與設(shè)計(jì)
【教學(xué)時(shí)段】 下期
【教學(xué)對(duì)象】高中二年級(jí)
【學(xué)情分析】
學(xué)生對(duì)我校的授課模式比較熟悉,對(duì)本課程的重視水準(zhǔn)不夠,學(xué)習(xí)積極性較低。所以,在上課過程中老師應(yīng)注意多用一些生活中常見的案例,調(diào)動(dòng)學(xué)生對(duì)控制及其設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)欲望,引起他們的重視,激發(fā)他們的學(xué)習(xí)熱情,充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。以此最終能夠讓他們用上所學(xué)的知識(shí)對(duì)案例實(shí)行測試、分析。
【教材分析】
本堂課是《技術(shù)與設(shè)計(jì)2》里面比較難于理解的內(nèi)容,“控制與設(shè)計(jì)”強(qiáng)調(diào)從系統(tǒng)的角度理解控制素統(tǒng)的組成、工作過程等問題。對(duì)控制系統(tǒng)中的控制器、執(zhí)行器、傳感機(jī)構(gòu)和被控對(duì)象等環(huán)節(jié)只限于定于一般性的理解,不去探討其內(nèi)部的工作過程
2、。通過控制的理論知識(shí)學(xué)習(xí),達(dá)到能夠分析生活中常見的控制,最終能夠設(shè)計(jì)出自己想要做出的控制模型。
【教學(xué)設(shè)想】
第一節(jié)課理解什么是控制,并建立開環(huán)、閉環(huán)、手動(dòng)、自動(dòng)控制的分類概念;第二節(jié)課對(duì)具體的控制系統(tǒng)實(shí)行進(jìn)一步的分析,得到控制系統(tǒng)的基本組成及學(xué)會(huì)用框圖描述各類控制系統(tǒng);第三節(jié)課以設(shè)計(jì)制作一個(gè)小球下落裝置為例,實(shí)行簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì);第四節(jié)課設(shè)計(jì)制作一個(gè)小球下落裝置。
【教學(xué)目標(biāo)】
知識(shí)與技能:
1.理解控制的涵義及其在生產(chǎn)和生活中的應(yīng)用。
2.了解控制系統(tǒng)的類型,熟悉簡單控制系統(tǒng)的基本組成和工作過程。
3.了解并能確定控制系統(tǒng)的主要參量。
4.能畫出簡單控制系統(tǒng)的方框圖,理解
3、其中各環(huán)節(jié)的作用。
5.能設(shè)計(jì)、制作、調(diào)試和改進(jìn)簡單的控制裝置。
過程與方法:
通過觀察、思考、探討、分析的過程,了解控制與設(shè)計(jì)方面的基礎(chǔ)知識(shí),能繪制簡單的控制系統(tǒng)方框圖,綜合使用歸納、概括、綜合、比較等方法。
情感態(tài)度價(jià)值觀:
學(xué)會(huì)用系統(tǒng)的眼光看事物,并優(yōu)化事件,解決問題,培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感和善于思考的水平。
【教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)】
重點(diǎn):理解控制的涵義,了解控制系統(tǒng)的類型中,熟悉簡單控制系統(tǒng)的基本組成和工作過程。
難點(diǎn):能設(shè)計(jì)的、制作、調(diào)試和改進(jìn)開環(huán)控制系統(tǒng)。
2. 弄清控制器、控制量、被控對(duì)象和被控量等概念
3. 能對(duì)已設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)方框圖實(shí)行改進(jìn)。
【教法與學(xué)法】
4、
教學(xué)方法:本課主要采用授導(dǎo)教學(xué)模式,通過大量案例引導(dǎo)學(xué)生思考討論,協(xié)助學(xué)生形成知識(shí)建構(gòu)。此外,綜合使用:案例分析、視頻教學(xué)、設(shè)疑引導(dǎo)、演示講授等教學(xué)方法。
學(xué)習(xí)方法:自學(xué)自思、交流探討、分析比較等
【課時(shí)安排】
教學(xué)時(shí)間:4課時(shí)
【教學(xué)器具】
課件、多媒體設(shè)備、教具等
【課型】 新課
[教學(xué)過程]
第一節(jié)課 了解控制
由教室課堂情景導(dǎo)入控制,思考一下,生活都有哪些控制?
總結(jié):生活中的控制無所不在,我們的設(shè)計(jì)也離不開控制。
一 了解控制
導(dǎo)入:【摩登時(shí)代視頻】
師:在這個(gè)視頻中,商人本來是要用一套純自動(dòng)的機(jī)器來代替本是純手動(dòng)的吃飯過程。但是無奈
5、機(jī)器出了故障,并沒有按照人預(yù)先期望發(fā)展。同樣在生活中,事物發(fā)展的結(jié)果可能是人們預(yù)先期望的,也可能是與預(yù)期的目標(biāo)不相符,甚至是不希望得到的。但只要人們想達(dá)到某一特定的目的,就必須使用適當(dāng)?shù)氖侄蝸韺?shí)現(xiàn)。也就是對(duì)事件或事物實(shí)行控制。今天我們就來學(xué)習(xí)與控制相關(guān)的一些基本知識(shí)。比如,控制的分類、控制系統(tǒng)的描述和組成。再設(shè)計(jì)制作一個(gè)控制系統(tǒng)。
(一)控制的定義
案例1——嫦娥探月衛(wèi)星飛行軌跡(視頻)
案例2——鳳凰火星控測器(視頻)
設(shè)問:衛(wèi)星在運(yùn)動(dòng)過程中需要在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候做出一些改變,如:變速,變軌。提問:這些工程調(diào)整過程是怎么做到的?
學(xué)生討論:
控制:實(shí)際上,如果我們希望某一事物按照自己的
6、意思發(fā)展,就要對(duì)其實(shí)行干預(yù),這種根據(jù)自己的目的,通過一定的方法使事物沿著某一確定的方向發(fā)展,就形成了控制.
討論:其他控制的案例
(二)控制的三要素
對(duì)象:人們期望控制的事物
目的:人們所期望的目標(biāo)
方法:為達(dá)到目標(biāo)所采用的方法和手段
練習(xí):分析接水控制中的三要素
師:我們以接水控制為例。接水的目的是什么?控制的對(duì)象呢?所采用的方法是什么?
目的:水 對(duì)象:水龍頭 方法:擰開
學(xué)生練習(xí):大禹治水、電風(fēng)扇扇葉轉(zhuǎn)速的控制、人力三輪車的方向控制
(三)手動(dòng)控制和自動(dòng)控制
案例分析:從手搖扇到空調(diào)
師:隨著科技的發(fā)展我們乘涼散熱的
7、工具也持續(xù)的被更新。從開始純?nèi)肆κ謸u產(chǎn)風(fēng)的手搖扇,到電機(jī)帶動(dòng)葉片產(chǎn)風(fēng)的電風(fēng)扇,至自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度的空調(diào)。
師:我們知道這三個(gè)工具都是用來調(diào)節(jié)溫度的,那么它們?cè)谡{(diào)節(jié)溫度方法上有什么區(qū)別?
生:手動(dòng)、自動(dòng)
手搖扇:手動(dòng) 電風(fēng)扇:換擋 空調(diào):自動(dòng)
師:也就是在控制溫度的過程中,人的參與度是不同的。在控制中,我們根據(jù)人的參與水準(zhǔn)將其分為手動(dòng)控制和自動(dòng)控制。
1、 手動(dòng)控制:必須在人的直接干預(yù)下才能完成的控制系統(tǒng)(門、開車)
2、 自動(dòng)控制:在過程中不需要人的直接干預(yù),就能夠準(zhǔn)確按照期望的方向發(fā)展的控制系統(tǒng)。(自動(dòng)門、太陽能路燈)
師:你還知道哪些自動(dòng)控制系
8、統(tǒng)和手動(dòng)控制系統(tǒng)?
師:除了按照人的參與度分類控制以外,還可以按照?qǐng)?zhí)行部件將控制進(jìn)行分類。比如:機(jī)械控制、氣動(dòng)控制、液壓控制、電子控制等。
同樣,在很多控制事例中,控制的手段可以是綜合的。
(四)開環(huán)控制和閉環(huán)控制
游戲:畫鼻子
師:我們現(xiàn)在來做個(gè)小游戲。黑板兩邊分別有兩個(gè)頭像,但是都沒有鼻子。那么我們現(xiàn)在要找兩位同學(xué)來分別給它添上鼻子。(一個(gè)閉著眼睛,一個(gè)沒有閉眼睛)
師:其實(shí)兩種情況下的畫鼻子的過程都是一個(gè)控制系統(tǒng)。不論是閉上眼睛,還是沒有比眼睛的情況下,都是大腦發(fā)出指令,身體執(zhí)行,最后落點(diǎn)畫鼻子。
師:兩種情況的區(qū)別是什么呢?
生:一種有
9、眼睛的參與,一種沒有
師:對(duì),在沒有閉眼的情況下,眼睛也會(huì)參與這個(gè)控制。眼睛會(huì)觀察,并且時(shí)時(shí)根據(jù)大腦的期望調(diào)整落點(diǎn)。因此,這兩個(gè)控制系統(tǒng)過程雖相同,但是卻是不同的控制系統(tǒng)。
1、 閉環(huán)控制
師:沒有閉眼的控制,眼睛在控制中起到反饋?zhàn)饔?。這種控制叫做閉環(huán)控制。
定義:輸出量返回到輸入端,并對(duì)控制過程產(chǎn)生影響的控制系統(tǒng)。
特點(diǎn):(1)、有反饋環(huán)節(jié),并對(duì)被控量產(chǎn)生影響!
(2)、輸入輸出信息形成回路。
(3)、抗干擾效果好。
有反饋環(huán)節(jié)是閉環(huán)控制的重要特征,因此,我們也稱它為反饋控制系統(tǒng)。
2、 開環(huán)控制
師:而閉眼過程就是開環(huán)控制。沒有眼睛的參
10、與,控制系統(tǒng)中不能反饋調(diào)整。
定義:輸出量不對(duì)系統(tǒng)控制產(chǎn)生任何影響的控制系統(tǒng)。
特點(diǎn):(1)、是從“輸入”到“輸出”的信號(hào)單向傳遞。
(2)、“輸出”結(jié)果只受最初“輸入”結(jié)果的影響。
(3)、抗干擾效果差。
3、區(qū)分開環(huán)與閉環(huán)控制的方法:(1)看是否有反饋及能否調(diào)整(2)加入干擾,看能否調(diào)整
學(xué)生活動(dòng):區(qū)分開閉環(huán)控制 擲飛鏢、騎自行車
第2節(jié) 控制系統(tǒng)的組成和描述
1、 控制系統(tǒng)的組成
案例:騎自行車
師:這是騎自行車的控制過程圖
期望值——大腦——肢體——自行車——行駛方向(眼睛觀察反饋調(diào)整)
師:大腦就是控制系統(tǒng)中的控制器;肢
11、體就是控制的執(zhí)行器;力是控制量;自行車是被控對(duì)象;自行車方向是被控量;眼睛就是反饋環(huán)節(jié)。
控制器:控制命令(信號(hào))的發(fā)出部分。——
執(zhí)行器:將控制器發(fā)出的信號(hào)轉(zhuǎn)換成能影響被控對(duì)象信號(hào)的裝置?!?
控制量:能對(duì)被控對(duì)象產(chǎn)生作用,從而使被控量發(fā)生變化的量。
被控對(duì)象:通過控制調(diào)整它來達(dá)成控制量的部分。
被控量: 控制目的
反饋環(huán)節(jié):將被控量的實(shí)際值反饋到輸入端。
師:控制系統(tǒng)的組成:被控對(duì)象+兩器、兩量、一環(huán)節(jié)
兩器:控制器、執(zhí)行器
兩量:被控量、控制量
一環(huán)節(jié):反饋環(huán)節(jié)
二、控制系統(tǒng)的描述——框圖
師:我們通常用框圖來描述控制系統(tǒng)
比如開
12、環(huán)控制系統(tǒng)框圖:給定值——控制器——執(zhí)行器借助(控制量)來控制被控對(duì)象,以控制控制量。
閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖: 閉環(huán)控制中因?yàn)橛蟹答伃h(huán)節(jié),因此,有一個(gè)比較器的部分。比較器是對(duì)反饋環(huán)節(jié)回應(yīng)的信息與原給定信息進(jìn)行比對(duì),從而不斷修正的部分
第三節(jié)課
學(xué)生練習(xí):分析端乒乓球比賽
師:這是端乒乓球比賽。端乒乓球過程中的控制器、執(zhí)行器、控制對(duì)象、反饋環(huán)節(jié)分別是什么?
一、控制中的干擾
師:在我的框圖中多了干擾(風(fēng))。其實(shí)不管是哪類控制,總是會(huì)有干擾的。并且,干擾可能存在于控制的每一個(gè)環(huán)節(jié),而我們必須盡可能的客服干擾。
師:1、在出現(xiàn)干擾的情況下,開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)哪種受干擾的影響小?為
13、什么?
閉環(huán)控制系統(tǒng)受影響較小,因?yàn)殚]環(huán)控制系統(tǒng)能不斷修正控制效果。
師:如何有效克服控制中的干擾?
風(fēng)對(duì)飛機(jī)飛行時(shí)的干擾?
為什么乒乓球、羽毛球比賽都在室內(nèi)舉行?
化學(xué)實(shí)驗(yàn)容易受到溫度變化的影響怎么辦?
二、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本過程:確定控制目的、確定輸出量、明確輸出量應(yīng)達(dá)到的精度指標(biāo)、選定開閉環(huán)、建立模型、確定待調(diào)參數(shù)、分析實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)性能。
第四節(jié)課
學(xué)生實(shí)作內(nèi)容:“落球時(shí)長”競賽
活動(dòng)內(nèi)容介紹:
學(xué)生分小組用老師提供的材料和工具在規(guī)定時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)、制作一個(gè)控制小玻璃球下落的裝置,以小球從起始點(diǎn)無初速度釋放直至最后脫離裝置的時(shí)間長短為成績,時(shí)間最長的組為優(yōu)秀。
材料:A4卡紙3張、塑料吸管10根、雙面膠(8mm-10mm)1卷、 透明膠條(8mm-10mm)1卷、膠棒1根、小玻璃球1個(gè)
工具:剪刀、學(xué)生尺
規(guī)則:
1、在40分鐘內(nèi)完成結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和整體制作、調(diào)整。
2、小球釋放點(diǎn)與最終靜止點(diǎn)間高度差不低于20cm。
3、小球釋放時(shí)無初速度。
4、比賽過程中,如果小球脫離裝置,以小球落地瞬間為停止計(jì)時(shí)點(diǎn)。
5、從小球釋放瞬間開始計(jì)時(shí),小球完全靜止時(shí)停止計(jì)時(shí),以小球運(yùn)動(dòng)的總時(shí)長為最終成績。
6、測試開始時(shí),由老師發(fā)令,學(xué)生自行釋放小球,老師計(jì)時(shí)。